LEAKY RAYLEIGH WAVE CLAMP-ON FLOWMETER

L.C. LYNNWORTH a n d T.H. NGUYEN

W a l t h a m , MA 0 2 2 5 4 Paname t r i c s , I n c .

ABSTRACT

R a y l e i g h w a v e s c a n b e r e a d i l y l a u n c h e d a n d d e t e c t e d o n t h e o u t e r s u r f a c e o f p i p e s i n w h i c h l i q u i d s a r e f l o w i n g . A p p a r e n t l y o v e r l o o k e d , h o w e v e r , i s t h e o b s e r v a t i o n t h a t i f t h e R a y l e i g h w a v e l e n g t h L R i s n o t t o o s h o r t w i t h r e s p e c t t o p i p e w a l l t h i c k n e s s w , t h e n t h e w a v e s l e a k d i a g o n a l l y a c r o s s t h e l i q u i d . I t i s o f t e n c o n v e n i e n t t o o p e r a t e i n t h e r a n g e 0 . 5 < L R / W < 2 . From c o n t r a - p r o p a g a t i o n mea s u r eme n t s o f t r a n s i t t i m e s b e t w e e n t w o e x t e r n a l c l a m p e d - o n t r a n s d u c e r s , t h e f l o w v e l o c i t y c a n b e c a l c u l a t e d . D e s i r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s o b t a i n e d w i t h R a y l e i g h - l i k e w a v e s i n c l u d e : 111 e x t e n d e d s o u r c e , s o t r a n s d u c e r s p a c i n g S i s n o t c r i t i c a l ; [ 2 1 p r o p a g a t i o n i n p i p e w a l l i s n o t d i s p e r s i v e ; 1 3 1 o n e p a i r o f f l a t - f a c e d t r a n s d u c e r s c a n m e a s u r e f l o w i n m e t a l p i p e s f r o m 1 t o 186 i n c h d i a m e t e r , a n d i n some n o n m e t a l a n d l i n e d p i p e s t o o . The c a s e o f R a y l e i g h w a v e t r a n s d u c e r s h o u s e d i n s i d e a v e s s e l i m m e r s e d i n w a t e r i s a l s o c o n s i d e r e d . I n i t i a l r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r o p e n c h a n n e l t r a n s m i s s i o n a t 2 0 0 kHz o v e r p a t h s up t o 6 5 m .

I. Irtrodnction

The p r e s e n t w o r k a r o s e o u t o f t h e n e e d f o r c e r t a i n i m p r o v e m e n t s i n t h e f i e l d o f u l t r a - s o n i c c l amp-on c o n t r a p r o pa ga t i o n f l o w m e t e r s. I n t h i s f i e l d , i t i s d e s i r a b l e t h a t t h e a x i a l s p a c i n g S b e t w e e n u p s t r e a m a n d down- s t r e a m t r a n s d u c e r s b e t o l e r a n t o f u n c e r t a i n - t i e s or c h a n g e s i n t h e s p e e d o f s o u n d , c , i n t h e l i q u i d w i t h i n t h e p i p e . I t i s a l s o d e s i r a b l e t h a t o n e g i v e n p a i r o f t r a n s d u c e r s b e u s a b l e on p i p e s o f many d i f f e r e n t s i z e s a n d m a t e r i a l s . S u c h v a r i e t y i s e n c o u n t e r e d , f o r e x a m p l e , when c o n d u c t i n g f l o w s u r v e y s .

I n t h e p a s t , t h e f i r s t o f t h e s e o b j e c t i v e s a p p a r e n t l y h a s b e e n s a t i s f i e d by u s i n g Lamb w a v e s , , : c c o r d i n g t o a d e s c r i p t i o n i n [11 i n w h i c h a r8trr8: ,rode o f s o n i c p r o p a g a t i o n i n t h e p i p e w a l l i s u t i l i z e d . Lamb w a v e s , h o w e v e r , h a v e s e v e r a l l i m i t a t i o n s w i t h r e s p e c t t o c l amp- on f 1 owme t e r a p p l i c a t i o n s :

(1) Lamb w a v e p r o p a g a t i o n i s g e n e r a l l y d i s p e r s i v e , p r e v e n t i n g u s e o f b r o a d b a n d p u l s e t e c h n i q u e s .

0090-5607185/0000-0519 $1.00 0 1985 IEEE

F r e q u e n c y f m u s t be s e l e c t e d a s a f u n c t i o n of p i p e w a l l t h i c k n e s s w, r a t h e r t h a n e i t h e r be o p t i m i z e d w i t h r e s p e c t t o p r o p a g a t i o n i n t h e l i q u i d , o r f o r c o n v e n i e n c e , b e a l l o w e d t o r e m a i n c o n s t a n t , i n d e p e n d e n t o f w.

T h e t r a n s d u c e r m u s t b e l a r g e e n o u g h , a n d t h e t r a n s m i t t e d a c o u s t i c t o n e b u r s t m u s t b e l o n g e n o u g h , t o c r e a t e t h e o b l i q u e l y ov e r 1 a p p i n g p a t t e r n c h a r a c t e r i s t i c o f Lamb w a v e s w i t h i n t h e p i p e w a l l .

N o t a l l Lamb m o d e s a r e e q u a l l y s u b j e c t t o t h e a b o v e l i m i t a t i o n s . In [ 2 1 t h e a. mode i s r e c o m m e n d e d , f o r e x a m p l e , t o m i n i m i z e d i s p e r s i o n , a n d t h i s may b e a p r a c t i c a l s o l u t i o n f o r s o m e l a r g e fw p r o d u c t s . I t o c c u r r e d t o o n e o f t h e a u t h o r s , h o w e v e r , t h a t t h e u s e of Payleigh-like snxf8ce W8'10S m i g h t p r o v i d e a s i m p l e r a n d m o r e g e n e r a l m e t h o d o f a v o i d i n g d i s p e r s i o n a n d i t s a t t e n d a n t l i m i t a t i o n s , so l o n g a s t h e p i p e w a s n e i t h e r t o o t h i n nor t o o t h i c k c o m p a r e d t o t h e R a y l e i g h w a v e l e n g t h LR. [3]

11. Theory

A s i s w e l l known , B a y l e i g h ' s c l a s s i c p a p e r C41 b e g i n s w i t h a p r o p o s s ; ? t o i n v e s t i g a t e t h e b e h a v i o r o f w a v e s c o n f i n e d t o a s u p e r f i c i a l r e g i o n , sf, t h i c k n e s s c o m p a r a b l e w i t h t h e wave- 1 e n g t h .

R a y l e i g h d e t e r m i n e d t h e p r i n c i p a l c h a r a c t e r - i s t i c s o f t h e w a v e s w h i c h now b e a r h i s n a m e . T h a t i s , h e c a l c u l a t e d t h e w a v e m o t i o n , t h e p h a s e v e l o c i t y , e l l i p t i c a l o r b i t s h a p e s , a n d n o t e d t h a t t h e s e w a v e s d i v e r g e i n t w o d i m e n s i o n s o n l y , i n h i s p a p e r r e a d a l m o s t e x a c t l y a c e n t u r y a g o , o n N o v e m b e r 12. 1 8 8 5 .

R a y l e i g h w a v e i n t e n s i t y t e n d s t o d e c a y e x p o n e n t i a l l y w i t h d e p t h [ 4 , 5 1 . A n u m b e r o f a u t h o r s i m p l y t h a t a t d e p t h s b e l o w a b o u t o n e w a v e l e n g t h t h e i n t e n s i t y i s t o o w e a k t o b e o f much u s e or i n t e r e s t . A t t h i s d e p t h , i n f a c t , f o r P o i s s o n ' s r a t i o ts = 0.25 t o 0.34 t h e d i s p l a c e m e n t n o r m a l t o t h e s u r f a c e f a l l s t o a b o u t 0 . 2 of i t s v a l u e a t t h e s u r f a c e . [51 T h i s f r a c t i o n , w h i l e s m a l l , i s e v i d e n t l y not z e r o .

1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM - 519

L e t u s now c o n s i d e r a f l a t e l a s t i c p l a t e t h a t i s t h i c k c o m p a r e d t o A R a n d t o t a l l y i m m e r s e d i n a l i q u i d . I t i s w e l l known t h a t a R a y l e i g h w a v e w i l l l e a k i n t o t h e l i q u i d a d j a c e n t t o t h e s u r f a c e near w h i c h t h e w a v e i s c o n c e n t r a t e d . E61

L e t u s i m a g i n e t h a t t h e t h i c k p l a t e i s s l i c e d p r o g r e s s i v e l y t h i n n e r a n d t h i n n e r b y r e m o v i n g m a t e r i a l f r o m t h e " r e m o t e " s u r - f a c e , i . e . , t h e s u r f a c e opposite t h e o n e n e a r w h i c h t h e R a y l e i g h w a v e i s c o n c e n t r a t e d . A t w h a t t h i c k n e s s w i l l l e a k a g e f r o m t h e s e c o n d ( r e m o t e ) s u r f a c e become s i g n i f i c a n t ?

F o r a p i p e , t h e a n s w e r d e p e n d s i n p a r t on t h e r a t i o o f p i p e t o l i q u i d i m p e d a n c e , p i p e d i a m e t e r , f r e q u e n c y a n d o t h e r f a c t o r s . A t l e a s t f o r s t e e l p i p e s c o n t a i n i n g w a t e r , a u s e f u l r u l e - o f - t h u m b a p p e a r s t o b e t h a t i f 1 / 2 ( w / ? . R ( 4 . l e a k a g e f r o m t h e r e m o t e s u r f a c e i s s u f f i c i e n t f o r c l a m p - o n f l o w m e t e r o p e r a t i o n . A l t h o u g h t h e r e l a t i v e i n t e n s i t y t r a n s m i t t e d a t t h e r e m o t e s u r f a c e i s a d m i t - t e d l y v e r y w e a k , t h e p i p e s e c t i o n s i n q u e s t i o n a c t l i k e a r t i f i c i a l a r r a y s o r e x t e n d e d o r s y n t h e t i c a p e r t u r e s . A n u m b e r o f p a t h s p r o v i d e e q u a l t i m e d e l a y s , so t h e c o n t r i b u t i o n s o f many r a y s , e a c h i n d i v i d u a l l y w e a k , a d d c o h e r e n t l y t o p r o d u c e a r e s u l t a n t s i g n a l s t r o n g e n o u g h t o b e d e t e c t e d by t h e s a m e e l e c t r o n i c t e c h n i q u e s p r e v i o u s l y d e v e l o p e d i n o u r l a b o r a t o r y f o r c l a m p - o n s h e a r w a v e t r a n s d u c e r s . 17.101 S e e F i g . 1.

A s t h e p l a t e i s s l i c e d t h i n n e r a n d t h i n n e r , t h e r e c e i v e d s i g n a l s t r e n g t h i n c r e a s e s , b u t w h e n W / A R , b e c o m e s l e s s t h a n t h e " p e n e - t r a t i o n d e p t h t h e R a y l e i g h w a v e t e n d s t o d e g e n e r a t e i n t o two b r a n c h e s c o r r e s p o n d i n g t o t h e Lamb w a v e s o a n d a. m o d e s [ a l . I f W / ~ R ((1, t h e e x t e n d e d s y n t h e t i c a p e r t u r e d i m e n s i o n s h r i n k s t o t h e o r d e r o f t h e i n c l i n e d beam d i a m e t e r . A c c o r d i n g l y , a t t h e p r e s e n t t i m e , a n d b a s e d o n o n l y a l i m i t e d n u m b e r o f e x p e r i m e n t s a n d f i e l d t r i a l s , we p r e f e r t o o p e r a t e w i t h W / ~ R a p p r o x i m a t e l y i n t h e r a n g e 0.5 t o 2. S t r i c t l y s p e a k i n g , t h e w a v e i n t h e p i p e w a l l i s n o t a R a y l e i g h wave . I 8 1 U n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e t e r m s R a y l e i g h - l i k e wave or q u a s i - R a y l e i g h w a v e may b e p r e f e r r e d . I n p i p e s t e s t e d by t h e p r e s e n t m e t h o d , t h e e x t e n t t o w h i c h R a y l e i g h - l i k e p h a s e v e l o c i t y , n o n d i s p e r s i v e p r o p a g a t i o n a n d e n e r g y d i s t r i b u t i o n r e s e m b l e t h e i r R a y l e i g h c o u n t e r p a r t s a l o n g o r n e a r t h e p l a n e s u r f a c e o f a n e l a s t i c s o l i d w i l l b e d i s c u s s e d e l s e w h e r e [ 9 1 . ( B e l o w , t h e t e r m s a r e u s e d i n t e r c h a n g e a b l y , f o r e a s e o f e x p r e s s i o n . )

111. Clamp-On Traasdroers, Corpl ing Tochniqne s

R e f e r r i n g a g a i n t o F i g . 1, i t i s s e e n t h a t t h e w e d g e t r a n s d u c e r f u n d a m e n t a l l y i s s i m i l a r t o c o n v e n t i o n a l a n g l e beam n o n d e - s t r u c t i v e t e s t i n g t r a n s d u c e r s commonly u s e d t o l a u n c h a n d r e c e i v e R a y l e i g h w a v e s . To p r o v i d e w e a r r e s i s t a n c e t h e w e d g e may b e

p r o t e c t e d by a s t a i n l e s s s t e e l w e a r p l a t e o f 5 0 pm t h i c k n e s s . A d e q u a t e s i g n a l s a r e o b t a i n a b l e u s i n g f l a t - f a c e d w e d g e s . A s i l i c o n e r u b b e r f i l m i s a common c o u p l a n t f o r f i x e d i n s t a l l a t i o n s . C o n v e n t i o n a l g e l s , g r e a s e or g l y c o l c o u p l a n t s a r e u s e d f o r t e m p o r a r y i n s t a l l a t i o n s . I f t h e p i p e i s s t e e l , a d e q u a t e c o u p l i n g f o r c e c a n b e d e v e l o p e d u s i n g s m a l l m a g n e t s , h a v i n g b u t a f e w k g o f h o l d i n g f o r c e . S t r a p s , c l a m p s o r w e l d e d - o n y o k e s a r e p r e f e r r e d f o r p e r m a n e n t i n s t a l l a t i o n s .

I f t h e c r y s t a l i s o n l y a f e w w a v e l e n g t h s i n d i a m e t e r , beam s p r e a d i n t h e w e d g e s u p p l i e s a n a s s o r t m e n t o f i n c i d e n t a n g l e s s u c h t h a t a g i v e n t r a n s d u c e r c a n l a u n c h R a y l e i g h - l i k e s u r f a c e w a v e s i n d i f f e r e n t m e t a l o r g l a s s p i p e s h a v i n g a m o d e r a t e r a n g e of s o u n d s p e e d s .

O n e m a y a s k , w h a t h a p p e n s i f c l a m p - o n t r a n s d u c e r s d e s i g n e d t o l a u n c h R a y l e i g h w a v e s i n s t e e l , o f R a y l e i g h v e l o c i t y C R , a r e i n s t e a d c o u p l e d t o a p l a s t i c p i p e ? B e c a u s e o f t h p , l o w s o u n d , p p e e d s c L, c i n p l a s t i c s . t h e 1 a u n c h , r e s p e c t i v e l y , l o n g i t u d i n a l a n d s h e a r w a v e s i n t h e p l a s t i c a t o r n e a r r e f r a c t e d a n g l e s e P L a n d G p ~ - t h a t s a t i s f y S n e l l ' s Law: e . g . , e P L = s i n 1 ( c / c R ) . T h e s e w a v e s s u b - s e q u e n t l y r e f r a c t P $ n t o t h e l i q u i d , o f s o u n d s p e e d c?, a t o r n e a r t h e r e f r a c t e d a n g l e 83 = s i n ( c ~ / c R ) . w h i c h i s e s s e n t i a l l y t h e same a n g l e a s w o u l d b e o b t a i n e d f o r t h a t l i q u i d i n s i d e t h e s t e e l p i p e o f R a y l e i g h v e l o c i t y C R . I n t h i s c a s e , h o w e v e r , t h e s o u r c e i s no l o n g e r e x t e n d e d , a n d s o S m u s t b e c a l c u l a t e d b a s e d on p i p e a n d l i q u i d p r o p e r t i e s i n s t e a d o f s i m p l y b e i n g e q u a t e d t o t h e p i p e OD, f o r e x a m p l e .

I f a m e t a l p i p e i s l i n e d w i t h a b o n d e d l i n e r o f l ow s o u n d s p e e d , a R a y l e i g h - l i k e w a v e i n t h e m e t a l w i l l l e a k t h r o u g h t h e l i n e r o v e r a n e x t e n d e d r e g i o n , a n d w i l l t h e n r e f r a c t a c r o s s t h e l i q u i d , a c c o r d i n g t o t h e e q u a t i o n s g i v e n a b o v e .

R a y 1 e i g h t r a n s $U c e r pTw i 1 1

IV. Clamp-On Applications on Pipes

One p a i r o f 5 0 0 kHz b r o a d b a n d t r a n s d u c e r s ( F i g . 1) h a v e b e e n u s e d o n a n u m b e r of p i p e s :

S t e e l : 2.4.8.16.24 a n d 186 i n c h n o m i n a l d i ame t e r S t a i n l e s s s t e e l : 1,2,4,10, a n d 16 i n c h n o m i n a l d i a m e t e r M o n e l : 2 i n c h n o m i n a l d i a m e t e r P y r e x : 3 i n c h i n s i d e d i a m e t e r (-75 m m I D ) A c r y l i c : 95 m m OD x 9.5 m m w a l l ( 3 " I D )

A s e r i e s o f o s c i l 1 o g r a m s , ~ i g s . 2-5, i l l u s t - r a t e s Some o f t h e w a v e f o r m s o b t a i n e d . N o t e t h e b r o a d b a n d l e a d i n g e d g e i n p r e f e r r e d C a s e s . F o r n a r r o w b a n d l e a d i n g e d g e s , a n i n t e g r a t e d t h r e s h o l d a r m i n g m e t h o d m a y b e r e q u i r e d . I f b i d i r e c t i o n a l p r o p a g a t i o n i s n o t r e c i p r o c a l , d u a l AGC may a d d i t i o n a l l y b e r e q u i r e d . [lo]

520 - 1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM

T o i m p r o v e t h e r e s o l u t i o n o f l o w f l o w i n s m a l l d i a m e t e r p i p e , s a y 2 i n c h s c h e d u l e 4 0 s t a i n l e s s s t e e l p i p e , a z i g z a g t e c h n i q u e may b e e m p l o y e d , F i g . 6 . The d i f f e r e n c e i n t r a n s i t t i m e u p s t r e a m v s d o w n s t r e a m i s i n c r e a s e d e s s e n t i a l l y i n p r o p o r t i o n t o t h e n u m b e r o f t r a v e r s e s , a s d e m o n s t r a t e d i n F i g . 7 .

I t i s p l a n n e d t o p u b l i s h f l o w c a l i b r a t i o n d a t a e l s e w h e r e . [ 9 1 A t t h i s t i m e i t a p p e a r s t h a t w h i l e t h e B a y l e i g h w a v e t e c h n i q u e may b e e a s i e r t o u s e t h a n s o m e p r e v i o u s l y a v a i l a b l e m e t h o d s , t h e a c c u r a c y o f c o n t r a - p r o p a g a t i o n t r a n s i t t i m e f l o w m e a s u r e m e n t s may n o t n e c e s s a r i l y i m p r o v e s u b s t a n t i a l l y . A c c u r a c y i s l i m i t e d b y u n c e r t a i n t i e s i n p i p e d i m e n s i o n s , u n c e r t a i n t i e s in f l o w p r o f i l e , a n d e l e c t r o n i c l i m i t a t i o n s r e l a t e d t o t h e m e a s u r e m e n t o f t r a n s i t t i m e d i f f e r e n c e s . T h u s , t h e m a i n a d v a n t a g e s o f t h e p r e s e n t m e t h o d a r e e a s e o f u s e ( S n o t c r i t i c a l ; s m a l l t r a n s d u c e r ) a n d v e r s a t i l i t y a n d e c o n o m y ( o n e p a i r o f t r a n s d u c e r s a p p l i c a b l e t o p i p e s o f many d i f f e r e n t m a t e r i a l s , w a l l t h i c k n e s s e s a n d d i a m e t e r s ) .

V. Immersion Transducers

A l t h o u g h t h e i n i t i a l o b j e c t i v e o f t h i s w o r k w a s t o d e v e l o p a n i m p r o v e d c l a m p - o n t r a n s d u c e r f o r p i p e s , i t i s i n s t r u c t i v e t o c o n s i d e r t r a n s p o s i n g t h e s o l u t i o n s u c h t h a t t h e t r a n s d u c e r e l e m e n t a n d w e d g e a r e c o n t a i n e d or s e a l e d inside a n i m m e r s e d c h a m b e r , a s i n F i g . 8 . One p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n i s m e a s u r e - m e n t o f f l o w i n o p e n c h a n n e l s s u c h a s r i v e r s o r s t r e a m s . T h e f e a s i b i l i t y o f s u c h f r e s h - w a t e r a p p l i c a t i o n s w a s d e m o n s t r a t e d i n b r i e f t e s t s i n t h e C h a r l e s R i v e r i n W a l t h a m a n d W a t e r t o w n MA, w h e r e 2 0 0 kHz t r a n s m i s s i o n o v e r p a t h s o f 1 2 . 6 a n d 6 5 m, r e s p e c t i v e l y , w a s r e c o r d e d . In t h e s e t e s t s t h e t r a n s - d u c e r s w e r e s u s p e n d e d o f f t h e e d g e o f d o c k s . T h e s a m e t r a n s d u c e r s w e r e l a t e r s u s p e n d e d o f f a m a r i n a d o c k i n D a n v e r s , M A , w h e r e o v e r a -2 m p a t h s e a w a t e r t i d a l f l o w w a s m e a s u r e d . S e e F i g . 9 .

I n p r i n c i p l e , R a y l e i g h t r a n s d u c e r s o f t h e p r e s e n t d e s i g n c o u l d b e i n s t a l l e d i n s i d e s o m e v e s s e l s i n o r d e r t o c o m m u n i c a t e o r i n t e r r o g a t e a l o n g p a t h s e x t e r n a l t o s a i d v e s s e l . A l t h o u g h n o t y e t d e m o n s t r a t e d , i t i s t h o u g h t t h a t a c o n s t r u c t i o n a s s u g g e s t e d s c h e m a t i c a l l y i n F i g . 1 0 m i g h t b e d e v e l o p e d t o t h e p o i n t o f a p r a c t i c a l d e v i c e . [ 3 1 I t s h o u l d b e p o i n t e d o u t t h a t s i n c e o p e n c h a n n e l a p p l i c a t i o n s d o n o t p r o v i d e a s h o m o g e n e o u s a l i q u i d a s d o m o s t p i p e - b o u n d f l o w a p p l i c a t i o n s , a n d f u r t h e r , i n o n - b o a r d v e s s e l a p p l i c a t i o n s , t r a n s d u c e r m o t i o n s o c c u r b e t w e e n t r a n s m i s s i o n a n d r e c e p t i o n , t h e h i g h l y - d i r e c t i o n a l beam a d v a n t a g e o u s l y a s s o c i a t e d w i t h a n e x t e n d e d a p e r t u r e o n a p i p e c a n b e a d i s a d v a n t a g e w h e n c o n d i t i o n s r e q U i r e t o 1 e r a n c e f or m i s a 1 i g nme n t .

1.

2 .

3 .

4 .

5 .

6 .

7 .

8 .

9.

1 0 .

T h e

VI. Ref etences

J . B a u m o e l , M e a s u r e m e n t s a n d C o n t r o l l 8 , 1 8 6 - 1 9 4 ( J u n e 1 9 8 4 ) .

M.O. D e i g h t o n , A b s t r . 7 . 4 , P r o c . U l t r a - son. I n t ' l . C o n f . L o n d o n ( J u l y 1 9 8 5 ) . i n s u p p l e m e n t t o ULTRA 23 ( 4 ) ( 1 9 8 5 ) .

L . C . L y n n w o r t h . U . S . p a t e n t p e n d i n g ( 1 9 8 5 ) .

J . W . S . R a y l e i g h , P r o c . L o n d o n M a t h . SOC. 1 7 , 4 - 1 1 ( 1 8 8 5 ) .

I . A . V i k t o r o v , R a y l e i g h a n d Lamb W a v e s , 4 - 5 , P l e n u m , NY ( 1 9 6 7 ) ; J . d e K l e r k , U l t r a s o n i c s 9 , 3 5 - 4 8 ( 1 9 7 1 ) ; H.F. P o l l - a r d , S o u n d Waves i n S o l i d s , p . 7 2 , P i o n ( 1 9 7 7 ) .

H.L. B e r t o n i a n d T. T a m i r , A p p l . P h y s . 2 1 5 7 - 1 7 2 ( 1 9 7 3 ) .

L . C . L y n n w o r t h , U.S. p a t e n t 3 , 5 7 5 , 0 5 0 ( 1 9 7 1 ) ; M a t e r i a l s E v a l . 2 5 2 6 5 - 2 7 7 ( 1 9 6 7 ) .

J . a n d H . K r a u t k r a m e r , U l t r a s o n i c T e s t i n g o f M a t e r i a l s , 3 r d e d . , p p . 4 4 - 4 5 , S p r i n g e r - V e r l a g ( 1 9 8 3 ) .

L.C. L y n n w o r t h , t o b e s u b m i t t e d t o IEEE T r a n s . UFFC.

L.C. L y n n w o r t h , J . M . K o r b a a n d D . R . Wal- l a c e , I E E E T r a n s . BME 32 ( 7 ) 5 3 0 - 5 3 5 ( 1 9 8 5 ) .

VII. Ackrorledgement s

a u t h o r s g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e t h e C O o p e r a t i o n i n d i v i d u a 1 s r e l a t i v e t o t h e o p e n c h a n n e l t e s t s : P e t e r B i s s e n o f G r o v e r C r o n i n , Wal tham; E . F . D e l - a n e y , C o m m i s s i o n e r o f P u b l i c W o r k s , W a l t - ham; M. S m i t h , HDC; W a t e r t o w n Y a c h t C l u b ; a n d L a n c t o t ' s M a r i n a , D a n v e r s . T h e f o l l o w i n g P a n a m e t r i c s p e r s o n n e l a s s i s t e d i n t r a n s d u c e r c o n s t r u c t i o n o r t e s t s : S . A . J a c o b s o n , W . C . M e l l i s h , R . F . M o r r i s , N . C . P e t r o n z i o a n d J . A . T r u e . G . C . P o u l i n , L.E. P e r k i n s a n d T . R a n k i n k i n d l y p e r m i t t e d u s t o m a k e m e a s u r e m e n t s o n a 1 8 6 i n c h p i p e a t t h e C e n t r a l M a i n e P o w e r C o m p a n y h y d r o e l e c t r i c f a c i l i t y i n H i r a m , M a i n e .

o f t h e f 01 1 ow i n g

1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM - 521

Axially extended source: leaky Rayleigh -like (surface) wave , (0, = 900)

F i g . 1 R a y l e i g h - l i k e s u r f a c e w a v e l a u n c h e d o n o u t e r s u r f a c e of a s t e e l p i p e l e a k s a s a w i d e b e a m i n t o t h e c o n t a i n e d l i q u i d , a t r e f r a c t e d a n g l e 8 3 . A t o p p o s i t e w a l l ( n o t s h o w n ) a n o t h e r R a y l e i g h - l i k e s u r f a c e

Fiat faced transducer wedge w a v e i s l a u n c h e d o n t h e i n s i d e a n d i s makes llne contact with plpe r e c e i v e d by a s e c o n d e x t e r n a l t r a n s d u c e r .

5 0 ,s 50 , 5

d

2 1-b

10” ss PIPE

b

F i g . 2 W a v e f o r m s r e c e i v e d w i t h w a t e r i n e t a i n l e a s s t e e l s c h e d u l e 40 p i p e s of n o m i n a l d i a m e t e r = 1 , 2 . 4 a n d 1 0 i n c h e s , a t S = O D .

(See Tab le 1, a t end.)

522 - 1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM

b-j - F i g . 6 Z i g z a g i n t e r r o g a t i o n i m p r o v e s r e s o l u t i o n o f f l o w i n p r o p o r t i o n t o t h e

a n u m b e r o f t r a v e r s e s . T r a n s d u c e r s p a c i n g S 2 3 OD.

50 v s

5 YS

3 E

0 50 u s 0

hl

5 YS Down- stream

E x p a n d e d ABC t r a c e s b e l o w show A t for 1 , 3 a n d 5 t r a v e r s e s , r e s p e c t i v e l y .

b

5 vs :!;ea"

3 E

A o F i g . 3 W a v e f o r m s r e c e i v e d w i t h w a t e r i n 0 ( a ) 1 2 i n c h steel p i p e , w = 0.5 i n c h e s , S = c4

. 5 u s

O D , a n d i n ( b ) 1 8 6 i n c h ( 4 . 7 2 m ) d i a m e t e r s t e e l p i p e , p a i n t e d , w = 0.375 i n c h e s , a t V = 2 m / s , a n d w i t h S = 2.9 m .

F i g . 4 W a t e r - f i l l e d 3 - i n c h Pyrex p i p e , o f C R = 2950 m l s . when t e s t e d w i t h t r a n s d u c e r o f F i g . 1 d e s i g n e d f o r s t e e l p i p e o f C R = 2980 m f s , y i e l d s a b o v e w a v e f o r m s , a t S = O D .

> E

B o . 5 ' - s I)

50 p s 5 Traverses

> E

L O . 5 LS 2 LS

0

F i g . 5 A c r y l i c t u b e i s " t o o s l o w " f o r t r a n s d u c e r s a s i n F i g . 1 t o l a u n c h R a y l e i g h w a v e s . But t h e w a l l c a n s u p p o r t l o n g i t u d i - F i g * s h o w how z i g z a g p a t h rial a n d s h e a r w a v e s , a n d when w a t e r - f i l l e d A t , t h e u p s t r e a m - d o w n s t r e a m t i m e t h e 3 i n c h ID t u b e y i e l d a t h e w a v e f o r m s d i f f e r e n c e , d e m o n s t r a t e d u s i n g w a t e r f l o w i n g s h o w n , w i t h s a i d t r a n s d u c e r s . i n 2 i n c h s c h e d u l e 40 SS p i p e , a t V = 3 . 7

m / s a n d S = 1 8 4 mm.

1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM - 523

\ \ \ \ Wedge detail

Transducer locations

F i g . 8 S c h e m a t i c o f t r a n s d u c e r d e s i g n e d f o r i m m e r s e d a p p l i c a t i o n s s u c h a s t h o s e i n w h i c h t h e o s c i l l o g r a m s of F i g . 9 w e r e o b t a i n e d .

F i g . 1 0 S c h e m a t i c o f w e d g e t r a n s d u c e r s i n s t a l l e d o n t h e d r y s i d e o f f l a t o r c u r v e d p l a t e s o n a v e s s e l .

7- - 3 n . - L V - 3

wiil F i g . 9 a Open c h a n n e l t r a n s m i s s i o n a c r o s s 6 5 m p a t h i n t h e C h a r l e s R i v e r , W a t e r t o w n M A , o b t a i n e d u s i n g i m m e r s i o n t r a n s d u c e r s o f F i g . 8 .

T a b l e 1. R e m a r k s on w a v e f o r m s .

F i a . E l e c t r o n i c s Comments

2 P u l s e r / B c v r N o f i l t e r u n l e s s n o t e d

3 P a l s e r I R c v r 0 . 3 M B z h i g h p a s s f i l t e r

4 P u l s e r / R c v r N o f i l t e r

5 P u l s e r I R c v r No f i l t e r

I Model 6 0 0 1 C o m m e r c i a l a1 t r asoni c f l o r m e t e r

9 a Model 7 1 0 0 Comme r c i a 1 u l t r a s o n i c f l o w m e t e r

9 b Model 7 1 0 0 C o m m e r c i a l u l t r a s o n i c f 1 owme t e r

F i g . 9 b C o n t r a p r o p a g a t i n g t r a n s m i s s i o n a c r o s s - 2 m p a t h i n A t l a n t i c s e a w a t e r t i d a l f l o w , r e c o r d e d a b o u t 1 h o u r a f t e r r e v e r s a l o f f l o w d i r e c t i o n , u s i n g t r a n s d u c e r s o f F i g . 8.

524 - 1985 ULTRASONICS SYMPOSIUM